KR101757194B1 - Wearable chemical-gas sensor and sensing method thereof - Google Patents
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Abstract
높은 감도를 가지고 화학가스의 성분 및 농도를 감지할 수 있는 웨어러블 화학가스센서 및 이의 센싱 방법이 제공된다. 이 웨어러블 화학가스센서는, 플렉시블 기판 상에 형성되어 화학가스가 흡착되는 화학가스 센싱부와, 화학가스가 흡착됨에 따라 화학가스 센싱부의 정전용량 변화를 측정하여 화학가스의 성분 및 농도를 산출하는 정전용량 측정부와, 화학가스의 성분 및 농도에 관한 정보를 외부 모바일 디스플레이로 전송하는 무선 송수신부를 포함한다. 여기서, 화학가스 센싱부는 게이트 전극, 게이트 전극 상에 절연되어 서로 이격되게 형성된 소스 및 드레인 전극, 및 마주보는 소스 및 드레인 전극 사이에 소스 및 드레인 전극에 대하여 수직으로 정렬된 다수의 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브층을 포함할 수 있다. 또한, 정전용량 측정부는 화학가스가 탄소나노튜브층에 흡착되면 소스 및 드레인 전극 사이의 정전용량의 변화를 측정하여 화학가스의 성분 및 농도를 산출할 수 있다.There is provided a wearable chemical gas sensor and a sensing method thereof capable of sensing components and concentrations of chemical gases with high sensitivity. This wearable chemical gas sensor comprises a chemical gas sensing part formed on a flexible substrate and adsorbing a chemical gas, and a static electricity detecting part measuring a change in capacitance of the chemical gas sensing part as the chemical gas is adsorbed, And a wireless transceiver for transmitting information on the composition and concentration of the chemical gas to an external mobile display. Here, the chemical gas sensing portion is composed of a gate electrode, source and drain electrodes formed on the gate electrode so as to be isolated from each other, and a plurality of carbon nanotubes vertically aligned with respect to the source and drain electrodes between the opposing source and drain electrodes Carbon nanotube layer. The electrostatic capacity measuring unit may calculate the composition and concentration of the chemical gas by measuring a change in capacitance between the source electrode and the drain electrode when the chemical gas is adsorbed on the carbon nanotube layer.
Description
본 발명은 웨어러블 화학가스센서 및 이의 센싱 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 화학가스 테러물질을 감지하기 위하여 헬멧 또는 의복에 부착가능하며 미량의 화학가스라도 그 성분 및 농도를 검출할 수 있는 웨어러블 화학가스센서 및 이의 센싱 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a wearable chemical gas sensor and a sensing method thereof. More particularly, the present invention relates to a wearable chemical gas sensor and a method of sensing the wearable chemical gas sensor, A gas sensor and a sensing method thereof.
화공학적으로 생산된 유독 화학가스를 무기로서 대규모로 사용한 것은 제1차 세계대전 때이다. 독일군이 대량의 염소가스를 방사하여 연합군을 공격한 것이다. 그 후 군 또는 민간 영역에서 화학가스 테러에 대한 위험성을 인식하게 되었고 이러한 화학전 및 화학가스 테러를 방지 및 감지하고자 많은 연구 개발을 지속해오고 있다.It was during the First World War that large-scale use of poisonous chemical gases produced by chemical engineering was used as weapons. The German army emitted a large amount of chlorine gas and attacked the Allies. Since then, it has recognized the danger of chemical gas terrorism in the military or civilian area and has been continuing its research and development to prevent and detect such chemical warfare and chemical gas terrorism.
군사 또는 테러 목적으로 사용되는 화학작용제(Chemical warfare agent)는 사람, 동물 및 식물에게 직접적으로 독성 효과를 나타나게 하는 액체, 기체 또는 고체 상태의 화학 물질을 말하는데, 크게 신경작용제, 혈액작용제, 수포제, 최루작용제, 질식작용제, 구토제, 살초제 등으로 나뉜다. 특히 화학테러물질로서 기체 상태인 화학가스를 주로 사용되는데, 바람 또는 포탄 등과 함께 방사될 경우 광대한 범위에 걸쳐 살상력을 가지기 때문이다.Chemical warfare agents used for military or terrorist purposes are liquid, gaseous or solid state chemicals that cause direct toxic effects on humans, animals and plants. They are largely classified into nerve agents, blood agonists, Sneezing agents, vomiting agents, and herbicides. Especially, chemical gas is used as a chemical terrorist gas, and when it is emitted together with wind or shell, it has a killing power over a wide range.
전장과 같은 환경에서 탐지 장비로서의 화학가스센서는 통상의 군용품이 무거운 중량인 것을 감안할 때 소형화, 경량화 및 저전력화를 필요로 한다. 또한, 화학가스센서는 초소형으로 제작되어 헬멧이나 의복에 부착 가능하도록 유연성 소재로 이루어질 필요가 있다. 나아가 미량의 화학가스라 하더라도 치사량에 도달할 수 있기 때문에 높은 감도를 요구할 뿐만 아니라, 화학가스의 종류에 따라 대응방안이 달라지기 때문에 화학가스의 성분을 판별할 수 있어야 한다.In an environment such as an electric field, a chemical gas sensor as a detection device requires miniaturization, light weight, and low power consumption in view of the heavy weight of ordinary military products. In addition, the chemical gas sensor needs to be made of a very small size and made of a flexible material so that it can be attached to a helmet or clothes. Furthermore, even if a trace amount of chemical gas can reach the lethal amount, not only does it require high sensitivity, but it also needs to be able to identify the chemical gas component because the countermeasure varies depending on the kind of the chemical gas.
한편 최근 들어 탄소나노튜브를 이용한 가스센서에 대한 활발한 연구와 함께, 탄소나노튜브를 화학가스센서에도 적용하고자 하는 시도는 있었으나, 현재까지 개발 또는 상용화에 성공된 사례는 없었다. 구체적으로, 종래 탄소나노튜브를 이용한 센서는 열분해법, 레이저증착법, 플라즈마 화학기상증착법, 열화학기상증착법 등에 의해 제조되고 있는데, 이들 제조방법을 이용해서는 화학가스센서에 적합한 웨어러블 디바이스를 만들기 힘들다. 웨어러블 센서는 플렉시블 기판 상에 탄소나노튜브를 형성하여 제조되는데, 상기 제조방법에는 고온 공정이 수반되기 때문에 플렉시블 기판에 변형이 생길 수 있기 때문이다.In recent years, along with active research on gas sensors using carbon nanotubes, there have been attempts to apply carbon nanotubes to chemical gas sensors, but there have been no cases of successful development or commercialization until now. Specifically, conventional sensors using carbon nanotubes are manufactured by a pyrolysis method, a laser deposition method, a plasma chemical vapor deposition method, a thermochemical vapor deposition method, or the like, and it is difficult to make a wearable device suitable for a chemical gas sensor using these manufacturing methods. The wearable sensor is fabricated by forming carbon nanotubes on a flexible substrate. Since the manufacturing method involves a high-temperature process, deformation may occur in the flexible substrate.
또한 탄소나노튜브는 긴 튜브 구조를 가지기 때문에 그 정렬된 방향에 따라 전기적 특성이 매우 달라진다. 높은 감도를 가지는 화학가스센서를 구현하기 위해서는 다수의 탄소나노튜브가 일정한 방향성을 가지고 정렬될 필요가 있는데, 종래 방법에 따르면 탄소나노튜브의 방향성을 제어하기 매우 어렵다.In addition, since carbon nanotubes have a long tube structure, the electrical characteristics of the carbon nanotubes vary greatly depending on the alignment direction. In order to realize a chemical gas sensor having high sensitivity, it is necessary to arrange a plurality of carbon nanotubes with a certain directionality. According to the conventional method, it is very difficult to control the directionality of the carbon nanotubes.
나아가 종래의 탄소나노튜브를 이용한 가스센서는 특정 타켓 가스에 대해 선택적인 작용기를 사용함으로써 해당 화학가스의 농도만을 검출할 수 있다. 화학가스의 종류가 바뀔 때마다 가스센서의 작용기를 달리해야 하는 것이다. 즉, 하나의 센서를 이용하여 다양한 화학가스에 대한 성분 및 농도를 동시에 파악하는 것은 불가능하였다.Furthermore, conventional gas sensors using carbon nanotubes can detect only the concentration of the corresponding chemical gas by using a selective functional group for a specific target gas. Whenever the type of chemical gas is changed, the function of the gas sensor must be different. In other words, it was impossible to simultaneously identify components and concentrations of various chemical gases using a single sensor.
이에 본 출원의 발명가는 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 오랫동안 연구와 노력한 끝에 본 발명을 완성하게 되었다.Accordingly, the inventor of the present application has completed the present invention after long research and effort in order to solve these problems.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 높은 감도를 가지고 화학가스의 성분 및 농도를 감지할 수 있는 웨어러블 화학가스센서를 제공하고자 하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a wearable chemical gas sensor capable of detecting components and concentrations of chemical gases with high sensitivity.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 이러한 웨어러블 화학가스센서의 센싱 방법을 제공하고자 하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a sensing method of the wearable chemical gas sensor.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other matters not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 화학가스센서는 화학가스를 감지하기 위하여 헬멧 또는 의복에 부착가능하도록 유연성 소재로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 웨어러블 화학가스센서는, 플렉시블 기판 상에 형성되어 화학가스가 흡착되는 화학가스 센싱부와, 상기 화학가스가 흡착됨에 따라 상기 화학가스 센싱부의 정전용량 변화를 측정하여 상기 화학가스의 성분 및 농도를 산출하는 정전용량 측정부와, 상기 화학가스의 성분 및 농도에 관한 정보를 외부 모바일 디스플레이로 전송하는 무선 송수신부를 포함한다. 여기서, 상기 화학가스 센싱부는 게이트 전극, 상기 게이트 전극 상에 절연되어 서로 이격되게 형성된 소스 및 드레인 전극, 및 마주보는 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 상기 소스 및 드레인 전극에 대하여 수직으로 정렬된 다수의 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 정전용량 측정부는 상기 화학가스가 상기 탄소나노튜브층에 흡착되면 상기 소스 및 드레인 전극 사이의 정전용량의 변화를 측정하여 상기 화학가스의 성분 및 농도를 산출할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a wearable chemical gas sensor comprising: a flexible material for attaching to a helmet or clothing for sensing a chemical gas; Specifically, the wearable chemical gas sensor comprises: a chemical gas sensing part formed on a flexible substrate and adsorbing a chemical gas; and a controller for measuring a capacitance change of the chemical gas sensing part as the chemical gas is adsorbed, And a wireless transceiver for transmitting information on the composition and concentration of the chemical gas to an external mobile display. The chemical gas sensing unit includes a gate electrode, source and drain electrodes formed to be spaced apart from each other on the gate electrode, and a plurality of carbon atoms vertically aligned with respect to the source and drain electrodes between the source and drain electrodes facing each other. And a carbon nanotube layer composed of nanotubes. Also, the capacitance measuring unit may calculate the composition and concentration of the chemical gas by measuring a change in capacitance between the source and drain electrodes when the chemical gas is adsorbed on the carbon nanotube layer.
탄소나노튜브 용액을 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 투하한 후 상기 소스 및 드레인 전극에 교류전기장과 직류전기장을 동시에 인가하여 상기 탄소나노튜브가 일정한 방향으로 정렬되도록 상기 탄소나노튜브층을 형성할 수 있다. The carbon nanotube layer may be formed so that the carbon nanotubes are aligned in a predetermined direction by applying an AC electric field and a DC electric field simultaneously to the source and drain electrodes after dropping the carbon nanotube solution between the source and drain electrodes .
인가되는 상기 교류전기장(Eac)과 상기 직류전기장(Edc)은 0.2 ≤ Edc / Eac ≤ 0.4를 만족할 수 있다. The applied alternating electric field Eac and the direct electric field Edc may satisfy 0.2? Edc / Eac? 0.4.
상기 무선 송수신부는 블루투스 로우 에너지(Bluetooth Low Energy; BLE)를 이용할 수 있다.The wireless transceiver may use Bluetooth low energy (BLE).
상기 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 화학가스센서의 센싱 방법은, 화학가스를 감지하기 위하여 헬멧 또는 의복에 부착가능하도록 유연성 소재로 이루어진 웨어러블 화학가스센서를 이용할 수 있다. 구체적으로, 센싱 방법은, 플렉시블 기판 상에 게이트 전극을 형성하고, 상기 게이트 전극 상에 절연막을 형성하고, 상기 절연막 상에 서로 이격된 소스 및 드레인 전극을 형성하고, 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 탄소나노튜브 용액을 투하하고, 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 전기장을 인가하여 상기 소스 및 드레인 전극에 대하여 수직으로 정렬된 다수의 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브층을 형성하여 웨어러블 화학가스센서를 준비한 다음에, 상기 화학가스가 상기 탄소나노튜브층에 흡착되면 상기 소스 및 드레인 전극 사이의 정전용량의 변화를 측정하고, 상기 변화로부터 상기 화학가스의 성분 및 농도를 산출할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of sensing a wearable chemical gas sensor, the wearable chemical gas sensor comprising a flexible material so as to be attachable to a helmet or clothes for sensing chemical gas. Specifically, a sensing method includes the steps of: forming a gate electrode on a flexible substrate; forming an insulating film on the gate electrode; forming source and drain electrodes spaced apart from each other on the insulating film; A nanotube solution is dropped and an electric field is applied between the source and drain electrodes to form a carbon nanotube layer composed of a plurality of carbon nanotubes vertically aligned with respect to the source and drain electrodes to prepare a wearable chemical gas sensor A change in capacitance between the source and drain electrodes is measured when the chemical gas is adsorbed on the carbon nanotube layer, and the composition and concentration of the chemical gas can be calculated from the change.
상기 소스 및 드레인 전극에 교류전기장과 직류전기장을 동시에 인가할 수 있다. An AC electric field and a DC electric field can be simultaneously applied to the source and drain electrodes.
인가되는 상기 교류전기장(Eac)과 상기 직류전기장(Edc)은 0.2 ≤ Edc / Eac ≤ 0.4를 만족할 수 있다.The applied alternating electric field Eac and the direct electric field Edc may satisfy 0.2? Edc / Eac? 0.4.
블루투스 로우 에너지(Bluetooth Low Energy; BLE)를 이용하여 상기 화학가스의 성분 및 농도를 외부 모바일 디스플레이로 전송할 수 있다. Bluetooth low energy (BLE) may be used to transmit the chemical composition and concentration of the chemical gas to an external mobile display.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 구체적인 내용 및 도면들에 포함되어 있다.The details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 웨어러블 화학가스센서 및 이의 센싱 방법에 의하면, 전장의 탐지 장비로서 소형화 및 경량화가 가능하고, 유연성 소재로 이루어지기 때문에 웨어러블 디바이스로 제작되어 사용자의 헬멧이나 의복에 부착될 수 있다. 또한, BLE 기술을 이용하여 근거리에서 외부 장치와 무선통신이 가능하다. As described above, according to the wearable chemical gas sensor and the sensing method thereof according to the present invention, it is possible to miniaturize and lighten the detection device of the electric field, and since it is made of a flexible material, it can be manufactured as a wearable device and attached to a user's helmet or clothes . In addition, wireless communication with an external device is possible at a short distance using BLE technology.
또한 교류 및 직류 전기장을 인가하여 탄소나노튜브를 일정한 방향으로 정렬하기 때문에 플렉시블 기판에 무리를 주지 않는 상태에서 탄소나노튜브의 전기적 특성을 향상시켜 화학가스센서의 감도를 높일 수 있다.In addition, since the carbon nanotubes are aligned in a certain direction by applying the alternating current and the direct current electric field, the electrical characteristics of the carbon nanotubes can be improved in a state in which the flexible substrate is not burdened, thereby increasing the sensitivity of the chemical gas sensor.
나아가 화학가스 흡착에 따른 탄소나노튜브의 정전용량의 변화를 측정함으로써, 다양한 화학가스에 대하여 그 성분이 무엇인지, 농도는 얼마인지를 정확히 산출할 수 있다.Furthermore, by measuring the change in the capacitance of carbon nanotubes due to the adsorption of chemical gas, it is possible to accurately calculate the composition and concentration of various chemical gases.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 화학가스센서를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 화학가스 센싱부를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 화학가스 센싱부를 AA'선으로 자른 단면도이다.
도 4는 도 2의 화학가스 센싱부의 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 화학가스센서의 센싱 방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 6a 내지 도 6f는 교류전기장과 직류전기장의 변화에 따라 탄소나노튜브의 정렬 상태를 나타낸 SEM 사진이다.1 is a schematic view of a wearable chemical gas sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view schematically showing the chemical gas sensing unit of FIG. 1; FIG.
3 is a cross-sectional view of the chemical gas sensing unit of FIG. 2 taken along line AA '.
4 is a SEM photograph of the chemical gas sensing portion of Fig.
5 is a flowchart sequentially illustrating a sensing method of a wearable chemical gas sensor according to an embodiment of the present invention.
6A to 6F are SEM photographs showing alignment states of carbon nanotubes according to changes of an alternating electric field and a direct electric field.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 화학가스센서를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 화학가스 센싱부를 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 3은 도 2의 화학가스 센싱부를 AA'선으로 자른 단면도이고, 도 4는 도 2의 화학가스 센싱부의 SEM 사진이다.2 is a perspective view schematically showing the chemical gas sensing unit of FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the chemical gas sensing unit of FIG. 2 taken along line AA ' 4 is a SEM photograph of the chemical gas sensing portion of Fig. 2. Fig.
도 1을 참조하면, 본 발명의 웨어러블 화학가스센서(100)는 플렉시블 기판(10) 위에 형성된 화학가스 센싱부(30), 정전용량 측정부(60), 전원부(20), 무선 송수신부(40) 및 이들을 전체적으로 제어하는 제어부(50)를 포함한다.1, a wearable
플렉시블 기판(10)은 본 발명의 화학가스센서가 헬멧 또는 의복 등에 부착가능하도록 유연성 소재 보드로 구성된다. 예를 들어, 플렉시블 기판(10)으로는 폴리머, 유리 또는 절연층을 가진 얇은 금속층 등이 사용될 수 있다.The
도 2 및 도 3을 참조하면, 화학가스 센싱부(30)는 플렉시블 기판 위에 형성된 게이트 전극(110)과, 게이트 전극(110) 상에 형성된 절연막(120)과, 절연막(120) 상에 서로 이격되게 형성된 소스 전극(130) 및 드레인 전극(140)과, 상기 소스 전극(130) 및 드레인 전극(140) 사이에 형성된 탄소나노튜브층(150)을 포함한다.2 and 3, the chemical
소스 전극(130)에서 연장된 복수의 가지들과 드레인 전극(140)에서 연장된 복수의 가지들은 서로 대향하며 깍지가 끼워진 손가락 형태로 패턴되어 있는데, 이러한 깍지 구조는 소스 전극(130)과 드레인 전극(140)이 서로 대향하는 면적을 넓혀주어 화학가스의 센싱 능력을 향상시키는 효과가 있다.A plurality of branches extending from the
탄소나노튜브층(150)은 소스 전극(130) 및 드레인 전극(140)에 대하여 평균적으로 수직으로 정렬된 다수의 탄소나노튜브(152)로 구성된다. 탄소나노튜브(152)는 지구 상에 다량으로 존재하는 탄소로 이루어진 탄소 동소체로서 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 전체적으로 튜브 구조를 이룬다. 튜브의 직경은 대량 1nm 수준이며, 그 구조에 의해 높은 비표면적을 가지기 때문에 화학기체가 표면에 흡착하기가 용이하다. 특히, 본 발명의 탄소나노튜브(152)는 소스 전극(130)과 드레인 전극(140)에 대하여 실질적으로 수직하게 정렬되어 있기 때문에, 무질서하게 정렬되어 있을 때보다 균일하고 우수한 전기적 특성을 가진다. 이에 본 발명의 화학가스센서(100)는 화학가스에 대하여 높은 감도와 빠른 반응속도를 나타낼 수 있는 것이다.The
하부에 위치한 플렉시블 기판(10)에 변형을 가하지 않으면서 탄소나노튜브(152)를 일방향으로 정렬하기 위해서 본 발명에서는 탄소나노튜브층(150)의 양쪽에 위치한 소스 전극(130) 및 드레인 전극(140)에 교류 및 직류 전압을 동시에 인가한다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 탄소나노튜브층(150)은 소스 전극(130) 및 드레인 전극(140)에 대하여 실질적으로 수직으로 정렬되어 있음을 알 수 있다. 탄소나노튜브층(150)의 정렬방법에 대해서는 나중에 자세히 설명한다.In order to align the
한편 화학가스가 반응성이 높은 탄소나노튜브층(150)에 흡착되면 탄소나노튜브층(150)의 정전용량(capacitance)가 변하게 된다. 정전용량 측정부(60)는 이러한 정전용량의 변화를 측정하여 흡착된 화학가스의 성분 및 농도를 산출한다. Meanwhile, when the chemical gas is adsorbed on the highly reactive
탄소나노튜브층(150)의 정전용량은 다음의 수식 1을 만족한다.The electrostatic capacity of the
[수식 1][Equation 1]
C = ε × A / t = εO × εT × A / tC = ε × A / t = ε O × ε T × A / t
여기서, C는 정전용량(capacitance)이고, ε는 탄소나노튜브층의 유전율이고, εO는 진공의 유전율이고, εT는 탄소나노튜브층의 비유전율(dielectric constant)이고, A는 소스 전극과 드레인 전극의 대향 면적이고, t는 소스 전극과 드레인 전극 간의 간격이다.Where C is the capacitance,? Is the dielectric constant of the carbon nanotube layer,? O is the dielectric constant of the vacuum,? T is the dielectric constant of the carbon nanotube layer, A is the dielectric constant of the carbon nanotube layer, Drain electrode, and t is the distance between the source electrode and the drain electrode.
화학가스가 탄소나노튜브층(150)에 흡착되면 소스 전극(130)과 드레인 전극(140) 사이의 정전용량이 변하게 된다. 화학가스의 성분에 따라 비유전율이 다르고 화학가스의 농도에 따라 흡착 면적이 다르기 때문에 정전용량의 변화를 측정함으로써 화학가스의 농도뿐만 아니라 성분까지도 산출할 수 있다. When the chemical gas is adsorbed on the
본 발명의 웨어러블 화학가스센서(100)는 사용자의 헬멧, 헤드셋, 의복이나 피복 등에 부착되어 휴대 가능하기 때문에 웨어러블 화학가스센서(100)의 구동에 필요한 전원을 제공하는 전원부(20)를 포함한다.The wearable
무선 송수신부(40)는 검출된 화학가스의 성분 및 농도에 대한 정보를 외부 모바일 디스플레이(70) 또는 스마트폰 등에 제공한다. 본 발명에서는 저전력 소비를 구현하기 위하여, 무선 송수신부(40)로서 근거리 통신을 위한 블루투스 로우 에너지(Bluetooth Low Energy; BLE)를 이용한다.The
이하 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 화학가스센서의 센싱 방법에 대하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 화학가스센서의 센싱 방법을 순차적으로 나타낸 순서도이고, 도 6a 내지 도 6f는 교류전기장과 직류전기장의 변화에 따라 탄소나노튜브의 정렬 상태를 나타낸 SEM 사진이다.Hereinafter, a sensing method of a wearable chemical gas sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 and 6. FIG. FIG. 5 is a flowchart sequentially illustrating a sensing method of a wearable chemical gas sensor according to an embodiment of the present invention. FIGS. 6A to 6F are SEM photographs showing alignment states of carbon nanotubes according to changes of an alternating electric field and a DC electric field. to be.
도 5를 참조하면, 웨어러블 화학가스센서를 준비한다. 이를 위해, 플렉시블 기판(10) 상에 게이트 전극(110)을 형성하고(S110), 게이트 전극(110) 상에 절연막(120)을 형성한다(S120).Referring to FIG. 5, a wearable chemical gas sensor is prepared. To this end, a
이어서 절연막(120)상에 소스 전극(130)과 드레인 전극(140)을 서로 이격되게 형성한다(S130). 반도체 사진식각 공정을 이용하여 소스 전극(130)과 드레인 전극(140)이 서로 깍지가 끼워진 손가락 형태로 패터닝할 수 있다.Next, the
소스 전극(130)과 드레인 전극(140) 사이에 탄소나노튜브 용액을 투하한다(S140). 이때 탄소나노튜브 용액 내의 다수의 탄소나노튜브는 무질서하게 배열되어 있다. 이를 정렬하기 위하여 소스 전극(130)과 드레인 전극(140)에 교류전기장 및 직류전기장(이를 "혼합전기장"이라 한다)을 동시에 인가한다(S150). 이 경우 균일하지 않은 전기장에서 극성이 없는 물질의 쌍극자(dipole) 또는 편극성(polarizability)에 의해 야기되는 중성입자(neutral particle)의 이동이 일어나는데, 이를 유전영동(dielectrophoresis)라 한다.The carbon nanotube solution is dropped between the
도 6과 표 1을 참조하면, 인가되는 전기장의 종류와 크기에 따라 탄소나노튜브의 정렬 상태에 큰 차이가 있다. 인가되는 교류전기장(Eac)에 대한 직류전기장(Edc)의 비율이 0.2 ≤ Edc / Eac ≤ 0.4을 만족하는 경우 탄소나노튜브가 소스 및 드레인 전극에 대하여 실질적으로 수직하게 정렬되는 것을 알 수 있다. 서로 평행한 양 전극 사이에 혼합전기장을 인가하게 되면, 양 전극 사이에 균일하게 분포하는 직류전기장은 전기삼투유동(electroosmotic flow)를 발생시키고, 교류전기장은 양 전극 간 거리보다 작거나 같은 길이의 탄소나노튜브를 정렬시켜 도포시키는 역할을 한다. 예를 들어, 직류전기장이 너무 강하여 교류전기장의 0.4배보다 큰 경우, 탄소나노튜브가 양 전극으로 치우치는 현상이 발생하여 두 전극 사이에 탄소나노튜브가 존재하지 않거나 불필요한 나노입자들이 도포되는 문제가 발생한다. 반대로, 직류전기장이 너무 약하여 교류전기장의 0.2배보다 작은 경우, 탄소나노튜브가 분산되기는 하지만 교류전기장의 주파수에 선택적인 상대적으로 적은 양의 탄소나노튜브들만이 도포되어 탄소나노튜브층의 도포밀도 및 전체적인 전기적 특성이 떨어지는 문제가 있다.Referring to FIG. 6 and Table 1, there is a large difference in the alignment state of the carbon nanotubes depending on the type and size of the applied electric field. It can be seen that when the ratio of the direct current electric field Edc to the applied alternating electric field Eac satisfies 0.2? Edc / Eac? 0.4, the carbon nanotubes are aligned substantially perpendicular to the source and drain electrodes. When a mixed electric field is applied between two electrodes which are parallel to each other, a DC electric field uniformly distributed between both electrodes generates an electroosmotic flow, and an alternating electric field is a carbon having a length less than or equal to the distance between both electrodes And aligning and applying the nanotubes. For example, when the DC electric field is too strong and is larger than 0.4 times of the AC electric field, carbon nanotubes are biased toward both electrodes, resulting in the problem that carbon nanotubes do not exist between the two electrodes or unnecessary nanoparticles are applied do. On the other hand, if the DC electric field is too weak and less than 0.2 times the AC electric field, although the carbon nanotubes are dispersed, only a relatively small amount of the carbon nanotubes selectively applied to the frequency of the AC electric field is applied, There is a problem that the overall electrical characteristics are deteriorated.
다시 도 5를 참조하면, 이와 같이 준비된 웨어러블 화학가스센서(100)를 화학가스가 있는 환경에 노출시키게 되면(S160), 화학가스가 반응성이 좋은 탄소나노튜브층(150)에 흡착하게 되고 탄소나노튜브층(150)의 전체적인 정전용량에 변화가 생긴다. 따라서 소스 전극(130)과 드레인 전극(140) 사이의 정전용량의 변화를 측정한다(S170).Referring to FIG. 5 again, if the wearable
화학가스의 성분에 따라 비유전율이 다르고 화학가스의 농도에 따라 흡착 면적이 다르기 때문에, 이러한 변화된 정전용량을 이용하여 화학가스의 성분 및 농도를 산출한다(S180). Since the relative dielectric constant differs depending on the chemical gas component and the adsorption area differs depending on the concentration of the chemical gas, the component and concentration of the chemical gas are calculated using the changed capacitance (S180).
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, You will understand. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.
10: 플렉시블 기판 20: 전원부
30: 화학가스 센싱부 40: 무선 송수신부
50: 제어부 60: 정전용량 측정부
70: 모바일 디스플레이 100: 웨어러블 화학가스센서
110: 게이트 전극 120: 절연막
130: 소스 전극 140: 드레인 전극
150: 탄소나노튜브층 152: 탄소나노튜브10: flexible substrate 20: power supply part
30: chemical gas sensing unit 40: wireless transmission /
50: control unit 60: capacitance measurement unit
70: Mobile display 100: Wearable chemical gas sensor
110: gate electrode 120: insulating film
130: source electrode 140: drain electrode
150: Carbon nanotube layer 152: Carbon nanotube
Claims (8)
플렉시블 기판 상에 게이트 전극을 형성하고, 상기 게이트 전극 상에 절연막을 형성하고, 상기 절연막 상에 서로 이격된 소스 및 드레인 전극을 형성하고, 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 탄소나노튜브 용액을 투하하고, 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 전기장을 인가하여 상기 소스 및 드레인 전극에 대하여 수직으로 정렬된 다수의 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브층을 형성하여 웨어러블 화학가스센서를 준비한 다음에,
상기 화학가스가 상기 탄소나노튜브층에 직접 흡착되면 상기 소스 및 드레인 전극 사이의 정전용량의 변화를 측정하고,
상기 변화로부터 상기 화학가스의 성분 및 농도를 산출하는 것을 포함하되,
상기 탄소나노튜브층은 상기 소스 및 드레인 전극의 하부와 중첩되지 않게 형성되고,
상기 탄소나노튜브층을 형성하기 위하여 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 전기장을 인가할 때, 교류전기장 및 직류전기장을 동시에 인가하는 웨어러블 화학가스센서의 센싱 방법.A sensing method using a wearable chemical gas sensor made of a flexible material so as to be attachable to a helmet or clothes for sensing chemical gas, comprising:
Forming a gate electrode on the flexible substrate, forming an insulating film on the gate electrode, forming source and drain electrodes spaced apart from each other on the insulating film, dropping the carbon nanotube solution between the source and drain electrodes, A wearable chemical gas sensor is prepared by forming a carbon nanotube layer composed of a plurality of carbon nanotubes vertically aligned with the source and drain electrodes by applying an electric field between the source and drain electrodes,
And measuring a change in capacitance between the source and drain electrodes when the chemical gas is directly adsorbed to the carbon nanotube layer,
And calculating the component and concentration of the chemical gas from the change,
Wherein the carbon nanotube layer is formed so as not to overlap with a bottom portion of the source and drain electrodes,
And applying an AC electric field and a DC electric field simultaneously when an electric field is applied between the source and drain electrodes to form the carbon nanotube layer.
인가되는 상기 교류전기장(Eac)과 상기 직류전기장(Edc)은 0.2 ≤ Edc / Eac ≤ 0.4를 만족하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 화학가스센서의 센싱 방법.The method according to claim 1,
Wherein the applied alternating electric field (Eac) and the direct electric field (Edc) satisfy 0.2? Edc / Eac? 0.4.
블루투스 로우 에너지(Bluetooth Low Energy; BLE)를 이용하여 상기 화학가스의 성분 및 농도를 외부 모바일 디스플레이로 전송하는 것을 더 포함하는 웨어러블 화학가스센서의 센싱 방법.The method according to claim 1,
Further comprising transmitting the composition and concentration of the chemical gas to an external mobile display using Bluetooth Low Energy (BLE).
플렉시블 기판 상에 형성되어 화학가스가 흡착되는 화학가스 센싱부와, 상기 화학가스가 흡착됨에 따라 상기 화학가스 센싱부의 정전용량 변화를 측정하여 상기 화학가스의 성분 및 농도를 산출하는 정전용량 측정부와, 상기 화학가스의 성분 및 농도에 관한 정보를 외부 모바일 디스플레이로 전송하는 무선 송수신부를 포함하되,
상기 화학가스 센싱부는 게이트 전극, 상기 게이트 전극 상에 절연되어 서로 이격되게 형성된 소스 및 드레인 전극, 및 마주보는 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 상기 소스 및 드레인 전극에 대하여 수직으로 정렬된 다수의 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브층을 포함하고,
상기 정전용량 측정부는 상기 화학가스가 상기 탄소나노튜브층에 직접 흡착되면 상기 소스 및 드레인 전극 사이의 정전용량의 변화를 측정하여 상기 화학가스의 성분 및 농도를 산출하고,
상기 탄소나노튜브층은 상기 소스 및 드레인 전극의 하부와 중첩되지 않게 형성되고,
탄소나노튜브 용액을 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 투하한 후 상기 소스 및 드레인 전극에 교류전기장과 직류전기장을 동시에 인가하여 상기 탄소나노튜브가 일정한 방향으로 정렬되도록 상기 탄소나노튜브층을 형성하는 웨어러블 화학가스센서.A wearable chemical gas sensor made of a flexible material so as to be attachable to a helmet or garment for sensing chemical gas, comprising:
A capacitance measuring unit for measuring the capacitance change of the chemical gas sensing unit as the chemical gas is adsorbed and calculating a composition and a concentration of the chemical gas, the chemical gas sensing unit being formed on the flexible substrate and adsorbing the chemical gas; And a wireless transceiver for transmitting information on the composition and concentration of the chemical gas to an external mobile display,
The chemical gas sensing unit may include a gate electrode, source and drain electrodes formed on the gate electrode so as to be insulated from each other and spaced apart from each other, and a plurality of carbon nanotubes vertically aligned with respect to the source and drain electrodes, A carbon nanotube layer composed of carbon nanotubes,
Wherein the capacitance measuring unit measures a change in capacitance between the source electrode and the drain electrode when the chemical gas is directly adsorbed on the carbon nanotube layer to calculate a composition and a concentration of the chemical gas,
Wherein the carbon nanotube layer is formed so as not to overlap with a bottom portion of the source and drain electrodes,
A carbon nanotube solution is dropped between the source and drain electrodes, and an AC electric field and a DC electric field are simultaneously applied to the source and drain electrodes to form the carbon nanotube layer so that the carbon nanotubes are aligned in a predetermined direction. Gas sensor.
인가되는 상기 교류전기장(Eac)과 상기 직류전기장(Edc)은 0.2 ≤ Edc / Eac ≤ 0.4를 만족하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 화학가스센서.6. The method of claim 5,
Wherein the applied alternating electric field (Eac) and the direct electric field (Edc) satisfy 0.2? Edc / Eac? 0.4.
상기 무선 송수신부는 블루투스 로우 에너지(Bluetooth Low Energy; BLE)를 이용하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 화학가스센서.
6. The method of claim 5,
Wherein the wireless transceiver uses Bluetooth low energy (BLE).
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